在正常状态下，气体分子及原子内的正负电荷相等，呈现中性，但在宇宙射线、太阳光线等所产生的能量的作用下，气体分子中某些原子会成为电子，而失去这些电子的原子呈正电极性，这个过程称为“空气的电离”。那部分被分离出来的电子又会与空气中其他中性分子结合，使得到多余电子的气体分子呈负电极性，就叫做空气负离子。
自然界中的叶枝尖端放电及绿色植物光合作用形成的光电效应，也能产生空气负氧离子。
而空气中的氮占78%，氧占21%，二氧化碳占0.03%，氮气是惰性气体，对电子无亲和力，只有氧和二氧化碳对电子有亲和力，并且氧含量是二氧化碳含量的700倍，因此，空气中生成的负离子绝大多数是负氧离子。